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全新基因編輯技術引發研究領域巨變——生物學新利器是把雙刃劍

來源：集(ji)團(tuan)芭乐(le)视频ios下载安装 發布(bu)時間：2016-06-11 編輯：黑馬

美國(guo)舊金山格萊(lai)斯頓(dun)研究所遺傳(chuan)學家Bruce Conklin一直試圖找到(dao)DNA變(bian)異如何(he)影響不(bu)同的人(ren)類疾病，但使用的工具有(you)些笨重。

 

美國舊金山格萊斯頓研究所(suo)遺傳學家Bruce Conklin一直試圖找到(dao)DNA變異如何影(ying)響不(bu)同的(de)(de)人類疾病，但使用的(de)(de)工(gong)具(ju)有些笨重(zhong)。當他(ta)研究來自(zi)病人的(de)(de)細胞時，很難知(zhi)道哪個序(xu)列對(dui)疾病來說很重(zhong)要，哪些只是背景噪(zao)音。同時，將突變植入細胞是一項昂貴且費力的(de)(de)工(gong)作。

2012年，他通(tong)過閱讀了解到一項最(zui)新發表的(de)(de)、被稱為CRISPR的(de)(de)技術(shu)。它能使研究人(ren)(ren)員快速改變(bian)幾乎任(ren)何生物體的(de)(de)DNA，包括人(ren)(ren)類(lei)。此(ci)后(hou)不久(jiu)，Conklin放棄了此(ci)前為疾(ji)病建立(li)模型的(de)(de)方法，轉而采用這(zhe)項新技術(shu)。目(mu)前，他的(de)(de)實驗室正在狂(kuang)熱地改變(bian)同各種心臟疾(ji)病相(xiang)關的(de)(de)基因。“CRISPR正帶來翻天覆地的(de)(de)變(bian)化。”Conklin說。

這(zhe)種情感被廣泛(fan)共享：CRISPR正(zheng)在(zai)生物醫學(xue)(xue)研究(jiu)領域引(yin)起一場(chang)巨(ju)變。不(bu)像其他基(ji)(ji)因(yin)編輯(ji)手段，它使用起來廉價(jia)、迅(xun)速且簡單，并(bing)因(yin)此席卷全(quan)球實(shi)驗(yan)室。研究(jiu)人員希望(wang)利(li)用它調整人類基(ji)(ji)因(yin)以消(xiao)除疾病，創造(zao)生命力更加頑強的植物，并(bing)且消(xiao)滅(mie)病原體。“自(zi)從事科研以來，我(wo)經歷(li)過(guo)兩(liang)次大的發(fa)展(zhan)。”康奈爾大學(xue)(xue)遺傳學(xue)(xue)家John Schimenti表示，像在(zai)1985年被發(fa)明(ming)后使基(ji)(ji)因(yin)工(gong)程領域發(fa)生革命性(xing)變化的基(ji)(ji)因(yin)擴增方法(fa)——PCR一樣(yang)，“CRISPR正(zheng)通過(guo)如此多的方式影響生命科學(xue)(xue)”。

不過(guo)，盡管CRISPR前途(tu)大好，但一些科學(xue)(xue)家(jia)擔心，這個(ge)領域極快的(de)發(fa)(fa)展步伐幾(ji)乎沒有為解(jie)決類似試驗可能引發(fa)(fa)的(de)倫理和安(an)全問題留(liu)出(chu)時(shi)間。當(dang)今年4月(yue)關(guan)于科學(xue)(xue)家(jia)利(li)用(yong)CRISPR改造人類胚(pei)(pei)胎(tai)的(de)新聞曝出(chu)時(shi)，該問題被推到了(le)聚光燈下。雖然他(ta)們使(shi)(shi)用(yong)的(de)胚(pei)(pei)胎(tai)無法使(shi)(shi)嬰兒安(an)全出(chu)生(sheng)，但這項報道引發(fa)(fa)了(le)關(guan)于是否以及如何使(shi)(shi)用(yong)CRISPR使(shi)(shi)人類基因組產(chan)生(sheng)可遺傳的(de)變化(hua)的(de)激烈爭辯。同時(shi)，還有其(qi)他(ta)的(de)顧慮(lv)存(cun)在。比(bi)如，一些科學(xue)(xue)家(jia)擔心，接(jie)受過(guo)基因編輯的(de)生(sheng)物體(ti)會擾亂整個(ge)生(sheng)態系統(tong)。

引發(fa)研究革命

長久以來，生物學家一(yi)(yi)直在利(li)(li)用分子(zi)工具編輯(ji)(ji)基因(yin)(yin)(yin)組(zu)。大(da)約10年前，他們因(yin)(yin)(yin)一(yi)(yi)種有望精確且(qie)高效(xiao)地編輯(ji)(ji)基因(yin)(yin)(yin)、被(bei)稱(cheng)為鋅指(zhi)核酸酶(mei)的(de)(de)(de)酶(mei)而興奮不(bu)已(yi)。不(bu)過(guo)，馬薩諸塞州布(bu)蘭迪斯大(da)學分子(zi)生物學家James Haber表示，需要(yao)花(hua)費5000多美(mei)元才能訂(ding)購到的(de)(de)(de)鋅指(zhi)并未被(bei)普遍采(cai)用，因(yin)(yin)(yin)為它(ta)們很難進行基因(yin)(yin)(yin)改造且(qie)花(hua)費頗(po)高。CRISPR卻大(da)不(bu)相同：它(ta)依靠(kao)一(yi)(yi)種利(li)(li)用引導(dao)性RNA分子(zi)將其導(dao)向目標DNA、被(bei)稱(cheng)為Cas9的(de)(de)(de)酶(mei)，然后編輯(ji)(ji)DNA以擾亂基因(yin)(yin)(yin)或(huo)插(cha)入(ru)想要(yao)的(de)(de)(de)序列。通常(chang)，研(yan)究人員需要(yao)訂(ding)購的(de)(de)(de)只是(shi)RNA片段，其他成(cheng)(cheng)分都(dou)是(shi)現成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。全部花(hua)費只有30美(mei)元。“這使(shi)得該技術走向大(da)眾化，因(yin)(yin)(yin)此每(mei)個人都(dou)在使(shi)用它(ta)。”Haber說(shuo)，這的(de)(de)(de)確是(shi)一(yi)(yi)場巨大(da)的(de)(de)(de)革命(ming)。

CRISPR方法(fa)正快(kuai)速超越鋅(xin)指核酸酶和(he)其他編輯工(gong)具。對一些研(yan)究(jiu)人(ren)員來說(shuo)，這(zhe)意味著要放棄曾花費數年來完善的技術。“我很郁悶。”英國韋(wei)爾科姆基金會桑格(ge)學院研(yan)究(jiu)所遺傳學家(jia)Bill Skarnes說(shuo)，“但又很興奮。”Skarnes在自己職業生(sheng)涯(ya)的大部(bu)分時(shi)(shi)間(jian)(jian)都在使用上世紀80年代(dai)引入(ru)的一項技術：將DNA插入(ru)胚胎干(gan)細胞，然后利用這(zhe)些細胞產生(sheng)轉基因小鼠(shu)。這(zhe)項技術變成實驗室的主(zhu)力，但同時(shi)(shi)耗費時(shi)(shi)間(jian)(jian)且非常昂(ang)貴(gui)。CRISPR所需時(shi)(shi)間(jian)(jian)很少，因此Skarnes在兩年前采用了這(zhe)項技術。

研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)員傳統上嚴重依賴諸如(ru)小鼠(shu)、果(guo)蠅等模式生(sheng)物。目前，CRISPR使在更多生(sheng)物體中(zhong)編輯基(ji)(ji)因(yin)成為(wei)可能。例(li)如(ru)，今年4月，馬薩諸塞州懷特海德生(sheng)物醫學(xue)研(yan)究(jiu)(jiu)所研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)員的(de)(de)報告稱，利(li)用CRISPR研(yan)究(jiu)(jiu)了白色(se)念珠(zhu)菌。這是(shi)一種(zhong)在免疫(yi)系統減弱的(de)(de)人(ren)群中(zhong)尤其具(ju)有致死性但一直很難(nan)在實驗(yan)室中(zhong)進行基(ji)(ji)因(yin)操控的(de)(de)真菌。來自加州大學(xue)伯克利(li)分校(xiao)的(de)(de)CRISPR技術先驅Jennifer Doudna正在記錄被(bei)CRISPR改變(bian)的(de)(de)生(sheng)物清單。截至(zhi)目前，她已擁有近40個條目，包括致病寄生(sheng)蟲(chong)——錐(zhui)體蟲(chong)和被(bei)用來制造生(sheng)物燃料的(de)(de)酵母菌。

然而，快(kuai)速的(de)(de)(de)(de)(de)進步有著自身的(de)(de)(de)(de)(de)弊端。“人們(men)根本(ben)沒有時間(jian)描述這(zhe)個(ge)系統中(zhong)一些最基(ji)本(ben)參數的(de)(de)(de)(de)(de)特征。”加州大學舊(jiu)金山分校(xiao)生物(wu)物(wu)理學家(jia)Bo Huang說，“現(xian)在有這(zhe)樣一種心態(tai)，即只要(yao)它能(neng)發(fa)揮作用(yong)，我們(men)就不需要(yao)理解(jie)它是(shi)如何(he)以(yi)及為何(he)發(fa)揮作用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)。”這(zhe)意(yi)味(wei)著研究(jiu)人員偶爾會遇到故障。Huang和他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)實驗室奮斗了(le)兩個(ge)月，使CRISPR適用(yong)于成像研究(jiu)。他(ta)懷疑，如果對如何(he)使引導(dao)性RNA的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計最優化(hua)了(le)解(jie)得更多(duo)，耽擱的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)會更少。

獲得廣泛應用

去年(nian)，麻省理工(gong)學(xue)院生物工(gong)程學(xue)家(jia)Daniel Anderson和(he)他的同事在小鼠(shu)身上利用(yong)(yong)CRISPR修正了一個同人類代謝(xie)性疾(ji)病相(xiang)關(guan)的突變(bian)tyrosinaemia。這是首次利用(yong)(yong)CRISPR在成年(nian)動物體內修正致病突變(bian)，并(bing)且是將該項(xiang)技(ji)術用(yong)(yong)于人類基因療法的一個重(zhong)大進步。

在(zai)科學和生(sheng)物技術(shu)圈，CRISPR能加快基因治療領(ling)域發展的(de)(de)(de)想(xiang)法是一個主要的(de)(de)(de)興奮點。不過，在(zai)凸顯潛力的(de)(de)(de)同(tong)時，Anderson的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)還(huan)展現了(le)真正應用這(zhe)項技術(shu)還(huan)有(you)多(duo)遠的(de)(de)(de)路要走。為將(jiang)(jiang)Cas9酶和其引導性RNA送入目標器官——肝(gan)臟(zang)，該研(yan)究(jiu)(jiu)團隊不得(de)不用泵將(jiang)(jiang)通常(chang)被認(ren)為在(zai)人(ren)體(ti)內不宜(yi)存在(zai)的(de)(de)(de)大量流體(ti)送入血管(guan)。試驗僅在(zai)0.4%的(de)(de)(de)細胞中修正了(le)致(zhi)病突變，而這(zhe)并不足以對很多(duo)疾(ji)病產生(sheng)影響。

過去兩年(nian)里，一(yi)(yi)些公司如雨后(hou)春筍般出現，開發基于CRISPR的基因療(liao)法(fa)。Anderson和其他人表示，此類療(liao)法(fa)的首次臨(lin)床試驗會在接(jie)下(xia)來的一(yi)(yi)到兩年(nian)內進行。這些首批試驗或許(xu)將(jiang)勾勒出CRISPR的應用場(chang)景，即CRISPR成分能被(bei)直接(jie)注入(ru)眼睛(jing)等(deng)器官，或者細(xi)胞能從人體移(yi)除(chu)并在實驗室(shi)中(zhong)進行基因改造后(hou)被(bei)放(fang)回體內。例如，形成血(xue)液的干(gan)細(xi)胞可能被(bei)修正(zheng)用于治療(liao)諸如鐮狀(zhuang)細(xi)胞性貧(pin)(pin)血(xue)癥或β-地中(zhong)海貧(pin)(pin)血(xue)等(deng)疾病。雖(sui)然將(jiang)酶和引導性RNA送(song)入(ru)很多其他組(zu)織(zhi)將(jiang)是一(yi)(yi)項(xiang)更大的挑(tiao)戰，但(dan)研(yan)究(jiu)人員希望有一(yi)(yi)天這項(xiang)技術(shu)能被(bei)用于解(jie)決更廣(guang)范的遺傳疾病。

在(zai)(zai)Anderson和其(qi)他(ta)人(ren)正在(zai)(zai)瞄準修正人(ren)類細胞內的(de)DNA時，一(yi)(yi)些人(ren)將目光投向了農(nong)作物和牲(sheng)畜。在(zai)(zai)基因(yin)(yin)編輯(ji)技術出現前，這(zhe)往往是(shi)(shi)通(tong)過(guo)將基因(yin)(yin)插入基因(yin)(yin)組中隨(sui)意位(wei)置(zhi)實現的(de)，連同基因(yin)(yin)一(yi)(yi)起的(de)還有來自(zi)細菌、病毒或(huo)其(qi)他(ta)物種(zhong)驅(qu)動基因(yin)(yin)表達的(de)序(xu)列。不過(guo)，這(zhe)個過(guo)程(cheng)效(xiao)率很(hen)低，并且總是(shi)(shi)成為討厭來自(zi)不同物種(zhong)的(de)DNA混(hun)合在(zai)(zai)一(yi)(yi)起或(huo)擔心這(zhe)種(zhong)插入會擾亂(luan)其(qi)他(ta)基因(yin)(yin)的(de)批(pi)評人(ren)士(shi)的(de)素(su)材。更重(zhong)要的(de)是(shi)(shi)，獲得轉基因(yin)(yin)作物使(shi)用批(pi)準非常復雜且花費(fei)頗高(gao)，以至于(yu)接受基因(yin)(yin)修正的(de)都是(shi)(shi)大(da)型大(da)宗商品作物，比如玉米和大(da)豆。

有了CRISPR，形勢將(jiang)發(fa)生(sheng)改變：快(kuai)捷和低成本或許會使基(ji)因(yin)編輯成為(wei)較小(xiao)型特殊作(zuo)物和動物的(de)一(yi)個可行選擇(ze)。過(guo)去幾年間，研究人(ren)員利用該方法對小(xiao)型豬進(jin)行了基(ji)因(yin)改造，并且(qie)獲得(de)(de)(de)了抗病小(xiao)麥和水稻。他(ta)們還在(zai)通過(guo)基(ji)因(yin)改造獲得(de)(de)(de)沒有角的(de)牛、抵(di)抗疾病的(de)山羊和富含維生(sheng)素的(de)甜橙等方面取得(de)(de)(de)進(jin)步。

生(sheng)態系統或被改變

除(chu)了農業，研(yan)究人員正(zheng)在(zai)考慮CRISPR如(ru)何能被或者說應當被用于野外的生物體。大部分注意力集中(zhong)在(zai)一種被稱為基(ji)(ji)因驅動的方(fang)法上，因為它能迅速將被編輯基(ji)(ji)因在(zai)整個種群中(zhong)傳(chuan)播。這(zhe)項工作正(zheng)處于起步(bu)階段，但類似技(ji)術(shu)能被用于消滅(mie)攜帶疾病的蚊子(zi)或蜱蟲，清除(chu)入侵植物或消除(chu)使一些美國農民飽受(shou)折磨的豬草(cao)中(zhong)的除(chu)草(cao)劑抗性。

不過，很多(duo)研究人(ren)員非常擔(dan)心，改變整個(ge)種群(qun)或將其全部清除會對生態系統產生無(wu)法預知的(de)災難性(xing)后(hou)果：這(zhe)可能意味著其他害(hai)蟲會出現，或者(zhe)(zhe)影響食物鏈上處于較高位置(zhi)的(de)捕(bu)食者(zhe)(zhe)。他們還擔(dan)心，引(yin)導性(xing)RNA會隨著時間的(de)推(tui)移發生突(tu)(tu)變。隨后(hou)，這(zhe)種突(tu)(tu)變將席卷整個(ge)種群(qun)，產生始料(liao)未及的(de)影響。

“這種方法不得不擁有相(xiang)當(dang)高的回報，因為它具有不可逆轉(zhuan)的危(wei)險(xian)和(he)給(gei)其他物種帶(dai)來的意料之(zhi)外或很難預(yu)估的后(hou)果。”哈佛醫學院生(sheng)物工(gong)程師George Church表示。2014年4月，Church和(he)一(yi)組(zu)科(ke)學家及(ji)政(zheng)策專家在《科(ke)學》雜(za)志上撰寫了一(yi)篇評論(lun)文章，警告研究人員試驗性基因驅動意外泄漏帶(dai)來的風(feng)險(xian)，并且提出了防止此事發(fa)生(sheng)的方法。

當時(shi)，基因驅動看上去還(huan)是(shi)一個遙遠的(de)(de)(de)前景。然而，不(bu)到一年后，加(jia)州(zhou)大學圣地亞哥分校(xiao)發育(yu)生物學家Ethan Bier和他(ta)的(de)(de)(de)學生Valentino Gantz報告稱，他(ta)們在(zai)(zai)果(guo)(guo)蠅(ying)中設計出類似系(xi)統。Bier和Gantz利用(yong)(yong)3層的(de)(de)(de)箱子(zi)容(rong)納果(guo)(guo)蠅(ying)，并且采用(yong)(yong)了通(tong)常用(yong)(yong)于研(yan)究攜帶(dai)瘧疾的(de)(de)(de)蚊子(zi)的(de)(de)(de)實驗室安(an)全舉措。不(bu)過，他(ta)們并未遵循上述評論文章(zhang)作者極(ji)力推薦的(de)(de)(de)所有指導原(yuan)則，比如設計逆轉基因改造所致變(bian)化的(de)(de)(de)方(fang)法。Bier說，他(ta)們正在(zai)(zai)開展首個原(yuan)理性試驗，并且想知道該系(xi)統能否在(zai)(zai)變(bian)得更加(jia)復雜之前行之有效。

對于Church和其(qi)他人來說，這是一個明確的(de)(de)警(jing)告，即通過CRISPR開展的(de)(de)基(ji)因編輯的(de)(de)大眾化(hua)會(hui)(hui)產生(sheng)無法(fa)預料(liao)和不想看到的(de)(de)結果。麻省理工學院政治(zhi)學家(jia)Kenneth Oye說：“我(wo)們(men)需(xu)要更(geng)多的(de)(de)行動。”美國國家(jia)研究委(wei)員會(hui)(hui)已經形成專家(jia)組探討基(ji)因驅動，其(qi)他高級別商(shang)討也正(zheng)在(zai)開始(shi)進(jin)行。不過，Oye擔(dan)心，科學正(zheng)在(zai)以閃電般的(de)(de)速度向前發展，而監管上的(de)(de)改變可能只在(zai)基(ji)因驅動泄漏事件受到關注(zhu)后才會(hui)(hui)發生(sheng)。

然(ran)而，該(gai)問題并(bing)不是(shi)非黑即(ji)白。得州農工大(da)學昆蟲生態(tai)學家Micky Eubanks表示，基(ji)因驅動的(de)(de)(de)(de)提法最初讓他大(da)吃一(yi)(yi)驚。“我最初本能的(de)(de)(de)(de)反應是(shi)‘我的(de)(de)(de)(de)天，這太恐怖了。它是(shi)如此的(de)(de)(de)(de)令人恐懼’。”Eubanks說，但當(dang)你再考慮一(yi)(yi)下，并(bing)將(jiang)其同人類已經造成并(bing)且將(jiang)繼續(xu)造成的(de)(de)(de)(de)環境改變(bian)作(zuo)下權衡，會發現它只不過(guo)是(shi)滄海一(yi)(yi)粟(su)。